WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаФізика → Релятивістські об’єкти астрофізики - Курсова робота

Релятивістські об’єкти астрофізики - Курсова робота

IV.IIIВластивості чорних дірок.

Поблизу чорної дірки напруженість гравітаційного поля така велика, що фізичні процеси там можна описувати тільки за допомогою релятивістської теорії тяжіння. Згідно Від, простір і час скривлюються гравітаційним полем масивних тіл, причому найбільше викривлення відбувається поблизу чорних дірок. Коли фізики говорять про інтервали часу і простору, вони мають з причини числа, лічені з якого-небудь фізичного годинника і лінійок. Наприклад, роль годинника може грати молекула з певною частотою коливань, кількість яких між двома подіями можна називати "інтервалом часу". Важливо, що гравітація діє на всі фізичні системи однаково: всі годинники показують, що час сповільнюється, а всі лінійки, що простір розтягується поблизу чорної дірки. Це означає, що чорна дірка скривлює навколо себе геометрію простору і часу. Далеко від чорної дірки це викривлення мале, а поблизу таке велике, що промені світла можуть рухатися навколо неї по колу. Далеко від чорної дірки її поле тяжіння в точності описується теорією Ньютона для тіла такої ж маси, але поблизу гравітація стає значно сильнішою, ніж передбачає ньютонова теорія. Якби можна було спостерігати в телескоп за зіркою у момент її перетворення на чорну дірку, то спочатку було б видно, як зірка все швидше і швидше стискається, але у міру наближення її поверхні до гравітаційного радіусу стиснення почне сповільнюватися, поки не зупиниться зовсім. При цьому світло, що приходить від зірки, слабітиме і червонітиме поки остаточно не потухне. Це відбувається тому, що, долаючи силу тяжіння, фотони втрачають енергію і їм вимагається все більше часу, щоб дійти до нас. Коли поверхня зірки досягне гравітаційного радіусу, світлу, що покинуло її, буде потрібно нескінченний час, щоб досягти будь-якого спостерігача, навіть розташованого порівняно близько до зірки (і при цьому фотони повністю втратять свою енергію). Отже, ми ніколи не дочекаємося цього моменту і, тим більше, не побачимо того, що відбувається із зіркою під горизонтом подій, але теоретично цей процес досліджувати можна. Розрахунок сферичного колапсу, що ідеалізується, показує, що за короткий час речовина під горизонтом подій стискається в крапку, де досягаються нескінченно великі значення щільності і тяжіння. Таку крапку називають "сингулярностью". Більш того, математичний аналіз показує, що якщо виник горизонт подій, то навіть несферичний колапс приводить до сингулярності. Проте, все це вірно лише в тому випадку, якщо загальна теорія відносності застосовна аж до дуже малих просторових масштабів, в чому поки немає упевненості. У мікросвіті діють квантові закони, а квантова теорія гравітації ще не створена. Ясно, що квантові ефекти не можуть зупинити стиснення зірки в чорну дірку, а ось запобігти появі сингулярності вони могли б. Вивчаючи фундаментальні властивості матерії і простору-часу, фізики вважають дослідження чорних дірок одним з найважливіших напрямів, оскільки поблизу чорних дірок виявляються приховані властивості гравітації. Для поведінки речовини і випромінювання в слабких гравітаційних полях різні теорії тяжіння дають майже невиразні прогнози, проте в сильних полях, характерних для чорних дірок, прогнози різних теорій істотно розходяться, що дає ключ до виявлення кращою серед них. В рамках найбільш популярній зараз теорії гравітації - Від Ейнштейна - властивості чорних дірок вивчені вельми детально. Ось деякі найважливіші з них:

1) Поблизу чорної дірки час тече повільніше, ніж далеко від її. Якщо видалений спостерігач кине у бік чорної дірки засвічений ліхтар, то побачить, як ліхтар падатиме все швидше і швидше, але потім, наближаючись до поверхні Шварцшильда, почне сповільнюватися, а його світло бляктиме і червонітиме (оскільки сповільниться темп коливання всіх його атомів і молекул). З погляду далекого спостерігача ліхтар практично зупиниться і стане невидимий, так і не зумівши перетнути поверхню чорної дірки. Але якби спостерігач сам стрибнув туди разом з ліхтарем, то він за короткий час перетнув би поверхню Шварцшильда і впав до центру чорної дірки, будучи при цьому розірваний її могутніми приливними гравітаційними силами, що виникають із-за різниці тяжіння на різних відстанях від центру. 2) Яким би складним не було початкове тіло, після його стиснення в чорну дірку зовнішній спостерігач може визначити тільки три його параметра: повну масу, момент імпульсу (пов'язаний з обертанням) і електричний

заряд. Решта всіх особливостей тіла (форма, розподіл щільності, хімічний склад і т.д.) в ході колапсу "стирається". Те, що для стороннього спостерігача структура чорної дірки виглядає надзвичайно простій, Джон Уїлер виразив жартівливим твердженням: "Чорна дірка не має волосся". В процесі колапсу зірки в чорну дірку за малу частку секунди (по годиннику видаленого спостерігача) всі її зовнішні особливості, пов'язані з початковою неоднорідністю, випромінюються у вигляді гравітаційних і електромагнітних хвиль. Стаціонарна чорна дірка, що утворилася, "забуває" всю інформацію про початкову зірку, окрім трьох величин: повної маси, моменту імпульсу (пов'язаного з обертанням) і електричного заряду. Вивчаючи чорну дірку, вже неможливо дізнатися, чи полягала початкова зірка з речовини або антиречовини, чи була вона витягнутою або сплюснутою і т.п. У реальних астрофізичних умовах заряджена чорна дірка притягатиме до себе з міжзоряного середовища частинки протилежного знаку, і її заряд швидко стане нульовим. Стаціонарний об'єкт, що залишився, або буде "шварцшильдової, що не обертається, чорною діркою", яка характеризується тільки масою, або "керровськой, що обертається, чорною діркою", яка характеризується масою і моментом імпульсу. 3) Якщо початкове тіло оберталося, то навколо чорної дірки зберігається "вихрове" гравітаційне поле, що захоплює всі сусідні тіла в обертальний рух навколо неї. Поле тяжіння чорної дірки, що обертається, називають полем Керра (математика Рий Керр в 1963 знайшов рішення відповідних рівнянь). Цей ефект характерний не тільки для чорної дірки, але для будь-якого тіла, що обертається, навіть для Землі. З цієї причини розміщений на штучному супутнику Землі гіроскоп, що вільно обертається, випробовує повільну прецессию щодо далеких зірок. Поблизу Землі цей ефект ледве помітний, але поблизу чорної дірки він виражений набагато сильніше: за швидкістю прецессиі гіроскопа можна зміряти момент імпульсу чорної дірки, хоча сама вона не видно. Чим ближче ми підходимо до горизонту чорної дірки, тим сильніше стає ефект захоплення "вихровим полем". Перш ніж досягти горизонту, ми опинимося на поверхні, де захоплення стає настільки сильним, що жоден спостерігач не може залишатися нерухомим (тобто бути "статичним") щодо далеких зірок. На цій поверхні (званій межею статичності) і усередині неї всі об'єкти повинні рухатися по орбіті навколо чорної дірки в тому ж напрямі, в якому обертається сама дірка. Незалежно від того, яку потужність розвивають його реактивні двигуни, спостерігач усередині межі статичності ніколи не зможе зупинити свій обертальний рух щодо далеких зірок. Межа статичності усюди лежить поза горизонтом і стикається з ним лише в двох крапках, там, де вони обидва перетинаються з віссю обертання чорної дірки. Область простору-часу, розташована між горизонтом і межею статичності, називається ергосферой. Об'єкт, що потрапив в ергосферу, ще може вирватися назовні. Тому, хоча чорна дірка "все з'їдає і нічого не відпускає", проте, можливий обмін енергією між нею і зовнішнім простором. Наприклад, що пролітають через ергосферу частинки або кванти можуть відносити енергію її обертання. 4) Вся речовина усередині горизонту подій чорної дірки неодмінно падає до її центру і утворює сингулярность з нескінченно великою щільністю. Англійський фізик Стівен Хоукинг визначає сингулярность як "місце, де руйнується класична концепція простору і часу так само, як і всі відомі закони фізики, оскільки всі вони формулюються на основі класичного простору-часу".

5) Окрім цього С.Хоукинг відкрив можливість дуже повільного мимовільного квантового "випаровування" чорних дірок. У 1974 він довів, що чорні дірки (що не тільки обертаються, але будь-які) можуть випускати речовину і випромінювання, проте помітно це буде лише в тому випадку, якщо маса самої дірки відносно невелика. Могутнє гравітаційне поле поблизу чорної дірки повинне народжувати пари частинка-античастка. Одна з частинок кожної пари поглинається діркою, а друга випускається назовні. Наприклад, чорна дірка з масою 1012 кг повинна вести себе як тіло з температурою 1011 До, випромінююче дуже жорсткі гамма-кванти і частинки. Ідея про "випаровування" чорних дірок повністю протіворечит класичному уявленню про них як про тіла, не здатні випромінювати.

Loading...

 
 

Цікаве